基于煤粉的污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水的實驗研究
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劉學鵬， 戴財勝， 賈飛躍， 毛瑋陽， 孫翠歡， 彭葉瓊， 馬淞江
（湖南科技大學化學化T學院，湖南湘潭411201）
摘要：基于煤粉具有疏水性能強、熱值高等特點，采用真空抽濾脫水實驗法考察了煤粉投加量、粒度對污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水效果的影響。通過測試污泥調(diào)質(zhì)前后的比阻及其分子結(jié)構(gòu)，初步探討了基于煤粉的污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水的機理。結(jié)果表明：當煤粉粒度為150—425 p.m、煤粉投加量為2.5 g/100 ml污泥時，污泥經(jīng)機械脫水后濾餅含水率由調(diào)質(zhì)前的75.22%降至56.60%，抽濾時間從調(diào)質(zhì)前的300 s降至120 s，污泥比阻值從調(diào)質(zhì)前的2,65x106 S2/g降至6.37x10；S2/g，污泥熱值從調(diào)質(zhì)前的8.04 MJ/kg提高至17.92 MJ/kg;煤粉改善污泥機械脫水性能的機理主要表現(xiàn)在煤粉能顯著降低污泥比阻并增強污泥疏水性能�？梢姡诿悍鄣奈勰嗾{(diào)質(zhì)不僅能顯著地改善污泥的機械脫水性能，還能提高污泥的熱值，為污泥的能源化利用創(chuàng)造了條件。
關(guān)鍵詞：煤粉；污泥；調(diào)質(zhì)；機械脫水；機理
城市污泥是城市生活污水及工業(yè)廢水進入污水處理系統(tǒng)后，經(jīng)一系列物理、化學和生物處理，在各級的處理構(gòu)筑物中截留下來的固態(tài)物質(zhì)。污泥的成分很復雜，它是由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成的集合體，除含有大量的水分外，還含有難降解的有機物、重金屬以及少量的病原微生物和寄生蟲卵等。隨著世界工業(yè)的發(fā)展、城市人口的增加，城市污水排放量日益增多，城市污泥的產(chǎn)量也與日俱增。污泥如果處理不當就進入環(huán)境，不僅會造成資源和能源的浪費，還會對環(huán)境、人類、動物的健康造成嚴重的危害。
近十年來，我國在城市污泥資源化利用方面進行了較多的研究，取得了較多的成果，但絕大多數(shù)污泥資源化利用的研究成果還停留在實驗室階段，不能產(chǎn)業(yè)化應用，我國污泥資源化利用效率不足20%，其具有共性的關(guān)鍵問題在于污泥經(jīng)機械脫水后的水分（80%左右）依然很高，不能滿足污泥資源化對其水分的要求，阻礙了污泥資源化利用的產(chǎn)業(yè)化實施。因此，如何有效提高污泥脫水性能，使污泥水分滿足資源化利用要求，成為當前急需解決的關(guān)鍵科學問題。
目前，污泥脫水一般采用先重力濃縮后機械脫水工藝，濃縮污泥水分由98%降至95%，在經(jīng)機械脫水后，污泥泥餅含水量在8O%左右。為改善脫水性能，通常對污泥進行調(diào)質(zhì)，改變污泥表面物化性質(zhì)和組分，破壞膠體結(jié)構(gòu)，減少其與水的親和力，從而改善脫水性能。目前，常用污泥調(diào)質(zhì)的方法有物理調(diào)質(zhì)法（如：熱調(diào)質(zhì)法、微波調(diào)質(zhì)法、超聲波調(diào)質(zhì)法等）和化學調(diào)質(zhì)法。
其中，物理調(diào)質(zhì)法由于其耗能高且條件不好控制等原因，目前尚處于實驗室階段。在化學調(diào)質(zhì)中，一般以氯化鐵、氧化鈣為化學調(diào)理劑對污泥進行調(diào)質(zhì)。陳嘉愉等以氯化鐵、氧化鈣為主要原料制備污泥調(diào)理劑，對污泥進行化學調(diào)質(zhì)。結(jié)果表明，將經(jīng)該調(diào)理劑調(diào)質(zhì)后的污泥進行機械脫水，其濾餅含水率可降至60%左右，但由于氯化鐵價格昂貴且其添加量大，不符合企業(yè)的經(jīng)濟效益。
近年來，有許多學者發(fā)現(xiàn)粉煤灰具有價格低廉、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、疏水性能強等特點，紛紛將其應用于污泥脫水的研究中，并取得了可喜的成績。但由于粉煤灰本身不具有熱值，經(jīng)其調(diào)質(zhì)、脫水后污泥的熱值極低，不利于污泥的后續(xù)能源化利用。
作者注意到煤粉不僅具有價格低廉、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、疏水性能強等特點，還具有粉煤灰所沒有的熱值高的特點，用煤粉作為調(diào)理劑對污泥進行調(diào)質(zhì)，不僅能改善污泥的脫水性能，還能提高調(diào)質(zhì)后污泥的熱值，有利于后續(xù)的能源化利用。本論文對基于煤粉的污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水進行了實驗研究，旨在探討煤粉粒度、投加量等因素對污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水效果的影響，揭示基于煤粉的污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水的機理。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
實驗所用污泥為湘潭市河西污水處理廠的剩余污泥，其含水率為98%，其粒度為1～144 um，平均粒徑為29.15um。實驗所用煤粉為陜西產(chǎn)的一種長焰煤（簡稱陜西煤），其粒徑≤75 um。實驗所用的污泥和煤粉的工業(yè)分析如表1所示。
1.2 實驗方法
1.2.1 污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水
量取100 ml污泥至250 ml燒杯中，加入一定量的煤粉．攪拌15 min，進行污泥調(diào)質(zhì)。然后，將調(diào)質(zhì)好的污泥迅速轉(zhuǎn)移到真空抽濾裝置的布氏漏斗中，進行抽濾，抽濾壓力為-0.093 MPa，直至真空破壞。本實驗將抽濾后濾餅含水率作為評價污泥機械脫水效果的指標。
濾餅含水率的測定方法參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T 221-2005）。
1.2.2 污泥比阻的測定
污泥比阻測定裝置如圖1所示，其測定方法參照文獻[13]。
2 實驗結(jié)果與討論
2.1 煤粉投加量對污泥機械脫水性能的影響
分別投加0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4g煤粉（粒徑75—425 um）至100 ml污泥中，攪拌15 min，對污泥進行調(diào)質(zhì)，并對調(diào)質(zhì)后污泥進行真空抽濾脫水實驗，其結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，空白污泥經(jīng)真空抽濾后的濾餅含水率為75.22%，當加入0.5 g煤粉/100 ml污泥時，濾餅含水率迅速降至70.52%，且隨著煤粉添加量的增力0，濾餅含水率逐漸降低。當煤粉投加量≤2.5 g/100 ml污泥時，濾餅含水率隨煤粉投加量的增加迅速降低；當煤粉投加量≥2.5 g/100 ml污泥時，濾餅含水率隨煤粉投加量的增加仍有所降低，但降低的速度變緩。綜合考慮處理成本和處理效果，選取2.5 g/100 ml污泥為煤粉最佳投加量。
2.2 煤粉粒度對污泥機械脫水性能的影響
為了探討煤粉粒徑分布對污泥機械脫水效果的影響，分別用40目（425 um）、100目(150 um)、200目（75um）、325目(45 um)的篩子將煤粉篩分成A、B、C、D、E、F6組。其中A組粒徑分布為150～425um，B組粒徑分布為75—150um，C組粒徑分布為45—425 p4m，D組粒徑分布為75—425um，E組粒徑分布為45～75 um，F(xiàn)組粒徑分布為≤45 um。分別投加2.5 g/100 g污泥A、B、C、D、E、F組煤粉至100 ml污泥中，攪拌15 min，對污泥進行調(diào)質(zhì)，并對調(diào)質(zhì)后污泥進行真空抽濾脫水實驗，其結(jié)果如表2、圖3所示。
由表2可知，不同粒徑分布的煤粉對污泥調(diào)質(zhì)、機械脫水后，濾餅含水率有顯著差異。經(jīng)A組煤粉（150—425 um）調(diào)質(zhì)、機械脫水后污泥的濾餅含水率水分可降至56.60%，而經(jīng)E、F組調(diào)質(zhì)、機械脫水后污泥的濾餅含水率水分≥60%。由圖3可以更直觀地看出，粒徑分布中粗顆粒越多、平均粒徑越大的煤粉（圖3靠右的分組），經(jīng)其調(diào)質(zhì)、機械脫水后，濾餅含水率越低。故選取A組煤粉為最優(yōu)粒徑分組。
2.3 煤粉在污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水中的機理探討
為了揭示煤粉在污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水中的機理，采用污泥比阻測定儀、紅外光譜分析儀等分析手段，初步探討了煤粉改善污泥機械脫水性能的機理。
2.3.1 煤粉能顯著降低污泥的污泥比阻
分別測定原污泥的比阻和經(jīng)A組煤粉（投加量為2.5 g/100 ml污泥）調(diào)質(zhì)的污泥的比阻，其測定值如表3所示。
由表3可知，經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后污泥的濾餅含水率、抽濾時間、污泥比阻均較未調(diào)質(zhì)的污泥顯著降低，這說明煤粉的加入對污泥比阻有著良好的改善作用，從而改善污泥的機械脫水性能。
2.3.2 煤粉對污泥的疏水性能的改善作用
為了探討煤粉對污泥疏水性能的影響，采用美國Nico1et公司的Nic1et 6700型傅里葉紅外光譜儀對原污泥、煤粉、經(jīng)A組煤粉（投加量為2.5 g/100 ml）調(diào)質(zhì)的污泥進行紅外光譜分析，壓片時控制最大透過率為80%。其結(jié)果如圖4所示，圖中從上到下依次為原污泥、經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后污泥、煤粉的紅外光譜。
由圖4可知，原污泥和經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后污泥的紅外光譜基本相同，但經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后污泥在3 060 cm-1附近有1個微弱的芳香氫伸縮振動峰（疏水基團），而在原污泥中并不存在。同時，煤粉在3 060 cm-1附近表現(xiàn)出很強的芳香氫伸縮振動峰。這說明在污泥調(diào)質(zhì)過程中，在煤粉中大量的疏水基團的作用下，污泥的疏水性能得到顯著的改善。原污泥在3 420 cm-1附近有很強的吸收峰，表明其含有大量的羥基（-OH）、羧基（-COOH）等親水基團。而經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后污泥、煤粉在此處的峰依次減弱，這說明煤粉的加入減少了污泥的親水基團，相應地改善了污泥的疏水性能。
3 結(jié)論
(1)煤粉能顯著改善污泥的機械脫水性能。當煤粉投加量為2.5 g/100 ml污泥，粒徑為150～425um時，原污泥（含水率98%）經(jīng)煤粉調(diào)質(zhì)后的真空抽濾（抽濾壓力為-0.093 MPa）濾餅水分由調(diào)質(zhì)前的75.22%降低至56.60%。
(2)煤粉對污泥調(diào)質(zhì)與機械脫水后，不僅濾餅的含水率低，而且其熱值相較于原污泥也得到了顯著的提高，為污泥的能源化利用創(chuàng)造了條件，有良好應用前景。
(3)煤粉改善污泥機械脫水性能的機理主要表現(xiàn)在煤粉能顯著降低污泥比阻并增強污泥疏水性能。
